Статья · устройство батареи

Как устроен LiFePO4-аккумулятор

Литий-железо-фосфатная батарея — это набор одинаковых ячеек по 3,2 В, плата защиты и корпус. Из двух чисел — напряжения ячейки и её ёмкости — получается вся сборка. Разберём, что внутри, чем отличаются форматы ячеек и почему у этой химии «плоский» разряд.

Что такое LiFePO4

LiFePO4 — это формула катода: литий, железо, фосфат. Отсюда русское название «литий-железо-фосфатный». Химия катода определяет всё остальное в батарее, поэтому от неё и пляшут.

Первое следствие — напряжение. У ячейки LiFePO4 номинал 3,2 В, полный заряд — 3,65 В. Эти два числа и нужно помнить: из них считается вся сборка. У обычной литий-ионной ячейки номинал другой, 3,6 В, поэтому схемы сборок у двух химий не совпадают.

Второе — плотность энергии. Готовая сборка LiFePO4 с корпусом и платой даёт около 115 Вт·ч на килограмм, литий-ионная на тех же условиях — около 165. Литий-ионная легче, LiFePO4 живёт дольше: 3000–6000 циклов против 800–1500. Подробное сравнение двух химий — в статье LiFePO4 или Li-ion.

Почему у неё «плоский» разряд

У LiFePO4 напряжение под нагрузкой почти не меняется на большей части разряда: батарея отдаёт больше половины запаса, оставаясь примерно на одной отметке, и проседает только в самом конце.

Для техники это плюс. Лодочный мотор тянет одинаково от начала до конца выезда, эхолот не перезагружается на середине рыбалки, инвертор не уходит в защиту по низкому напряжению раньше времени. У свинцовой батареи напряжение ползёт вниз с первой минуты, и техника выключается, когда энергия ещё есть.

Оборотная сторона — заряд по вольтметру не определить. Нужен либо счётчик с шунтом, либо плата с Bluetooth. Как замерить остаток и реальную ёмкость, разобрано в статье о проверке ёмкости.

Из каких ячеек собирают батареи

Разница практическая. Цилиндрические ячейки мелкие, их соединяют десятками через никелевую ленту точечной сваркой — так собирают батареи для самокатов и велосипедов, где важно уложиться в узкий корпус. Призматические LiFePO4 — это большие прямоугольные банки в алюминиевом корпусе с резьбовыми шпильками: их стягивают в пакет и соединяют шинами. Четыре такие банки — уже готовая батарея на 12 В.

Отсюда правило, которое экономит деньги: под большую ёмкость на 12–48 В берут призматические ячейки, под тесный корпус транспорта — цилиндрические. Смешивать форматы в одной сборке нельзя.

Как из ячеек получается батарея

Два числа описывают любую сборку. S — сколько ячеек соединено последовательно, это напряжение. P — сколько соединено параллельно, это ёмкость.

Напряжение системы делим на 3,2 В и получаем S:

Вес в таблице — готовой сборки с корпусом и платой, а не голых ячеек. Для призматических банок P чаще всего равен единице: нужную ёмкость даёт сама банка, и параллелить ничего не нужно.

Ячейки в сборке должны быть одной модели и одной партии. Разные ячейки стареют по-разному, и батарея очень быстро приходит к состоянию, когда её ёмкость определяет самая слабая группа.

Что ещё внутри корпуса

• Плата защиты BMS. Следит за каждой группой, отключает заряд и разряд на пределах и выравнивает группы в конце заряда. У свинца её нет, у лития она обязательна. Как она подключается — в статье о подключении платы BMS.
• Шины и перемычки. Соединяют банки. Их сечение считается под рабочий ток: тонкая перемычка греется и съедает напряжение.
• Стяжка. Призматические банки при работе немного «дышат», поэтому пакет стягивают — иначе ячейки со временем деформируются.
• Корпус и разъёмы. Задают, куда батарея встанет и как подключится. Для лодки и улицы важна герметичность, для транспорта — крепление и стойкость к вибрации.
• Подогрев — по необходимости. Заряжать LiFePO4 можно при температуре ячеек 0…+45 °C, разряжать — −20…+60 °C. Если батарея зимует на улице, подогрев закладывают сразу: снаружи его потом не добавить.

Что смотреть, когда покупаете готовую батарею

• Ток платы, а не только ампер-часы. Плату подбирают под максимальный ток техники с запасом на пусковой бросок. Батарея «на 100 А·ч» с платой на 50 А не потянет мотор, который берёт 80 А.
• Ватт-часы, а не ампер-часы. Сравнивать батареи разного напряжения по ампер-часам бессмысленно: 100 А·ч при 12,8 В — это 1 280 Вт·ч, а при 51,2 В — 5 120 Вт·ч.
• Формат ячеек. Продавец должен называть, что внутри. «Литиевая батарея» без уточнения химии и формата — это не характеристика.
• Зарядное. Под LiFePO4 нужен профиль с верхом 14,6 В для 12 В. Свинцовое зарядное с десульфатацией и «зимним» режимом не подходит.
• Габариты и разъём. Батарея должна встать на место старой. Размеры отсека и тип разъёма выясняют до сборки, а не после.

Если батарея нужна под конкретную технику, эти пункты мы закрываем расчётом: смотрите сборку аккумуляторов или опишите задачу в форме ниже.